第十章 专题强化6 带电粒子在重力场与电场中的运动
带电粒子在重力场与电场中的运动[学习目标] 1.会应用运动和力、功和能的关系分析带电粒子在复合场中的直线运动问题.2.会应用运动和力、功和能的关系分析带电粒子在复合场中的类平抛运动问题和圆周运动问题.一、带电粒子在复合场中的直线运动讨论带电粒子在复合场中做直线运动(加速或减速)的方法(1)动力学方法——牛顿运动定律、运动学公式.当带电粒子所受合力为恒力，且与速度方向共线时，粒子做匀变速直线运动，若题目涉及运动时间，优先考虑牛顿运动定律、运动学公式.在重力场和电场叠加场中的匀变速直线运动，亦可以分解为重力方向上、静电力方向上的直线运动来处理.(2)功、能量方法——动能定理、能量守恒定律.若题中已知量和所求量涉及功和能量，那么应优先考虑动能定理、能量守恒定律.(2019·广州二中高二期中)如图1所示，水平放置的平行板电容器的两极板M、N接直流电源，两极板间的距离为L＝15 cm.上极板M的中央有一小孔A，在A的正上方h处的B 点有一小油滴自由落下.已知带正电小油滴的电荷量q＝3.5×10－14 C、质量m＝3.0×10－9 kg.当小油滴即将落到下极板时速度恰好为零.两极板间的电势差U＝6×105 V .(不计空气阻力，取g＝10 m/s2)图1(1)两极板间的电场强度E的大小为多少？(2)设平行板电容器的电容C＝4.0×10－12 F，则该电容器所带电荷量Q是多少？(3)B点在A点正上方的高度h是多少？答案(1)4×106 V/m(2)2.4×10－6 C(3)0.55 m解析(1)由匀强电场的场强与电势差的关系式可得两极板间的电场强度大小为E＝U L ＝4×106 V/m.(2)该电容器所带电荷量为Q ＝CU ＝2.4×10－6 C.(3)小油滴自由落下，即将落到下极板时，速度恰好为零由动能定理可得：mg (h ＋L )－qU ＝0则B 点在A 点正上方的高度是h ＝qU mg －L ＝3.5×10－14×6×1053.0×10－9×10m －15×10－2 m ＝0.55 m. 针对训练1 (多选)如图2所示，平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度，两极板与一恒压直流电源相连 .若一带电粒子恰能沿图中所示水平直线通过电容器，则在此过程中，该粒子( )图2A .所受重力与静电力平衡B .电势能逐渐增加C .动能逐渐增加D .做匀变速直线运动答案 BD解析 对带电粒子受力分析如图所示，F 合≠0，A 错误 .由图可知静电力与重力的合力方向与v 0方向相反，F 合对粒子做负功，其中重力mg 不做功，静电力Eq 做负功，故粒子动能减少，电势能增加，B 正确，C 错误 .F 合恒定且F 合与v 0方向相反，粒子做匀减速直线运动，D 正确 .二、带电粒子的类平抛运动带电粒子在电场中的类平抛运动的处理方法：1 .运动分解的方法：将运动分解为沿初速度方向的匀速直线运动和垂直初速度方向的匀加速直线运动，在这两个方向上分别列运动学方程或牛顿第二定律 .2 .利用功能关系和动能定理分析：(1)功能关系：静电力做功等于电势能的减少量，W 电＝E p1－E p2.(2)动能定理：合力做功等于动能的变化，W ＝E k2－E k1.(2019·全国卷Ⅲ)空间存在一方向竖直向下的匀强电场，O 、P 是电场中的两点 .从O 点沿水平方向以不同速度先后发射两个质量均为m 的小球A 、B .A 不带电，B 的电荷量为q (q >0) .A 从O 点发射时的速度大小为v 0，到达P 点所用时间为t ；B 从O 点到达P 点所用时间为t 2.重力加速度为g ，求： (1)电场强度的大小；(2)B 运动到P 点时的动能 .答案 (1)3mg q(2)2m (v 02＋g 2t 2) 解析 (1)设电场强度的大小为E ，小球B 运动的加速度为a .根据牛顿第二定律、运动学公式和题给条件，有mg ＋qE ＝ma ①12a (t 2)2＝12gt 2② 解得E ＝3mg q③ (2)设B 从O 点发射时的速度为v 1，到达P 点时的动能为E k ，O 、P 两点的高度差为h ，根据动能定理有mgh ＋qEh ＝E k －12m v 12④ 且有v 1t 2＝v 0t ⑤ h ＝12gt 2⑥ 联立③④⑤⑥式得E k ＝2m (v 02＋g 2t 2) .针对训练2 如图3所示，有三个质量相等，分别带正电、负电和不带电的小球，从平行板电场左端的中点P 以相同的初速度沿水平方向垂直于电场方向进入电场，它们分别落在A 、B 、C 三点，可以判断( )图3A .小球A带正电，B不带电，C带负电B .三个小球在电场中运动时间相等C .三个小球到达极板时的动能E k A＞E k B＞E k CD .三个小球在电场中运动的加速度a A＞a B＞a C答案 A解析三个小球在水平方向做匀速直线运动；竖直方向，带正电荷小球受静电力向上，合力为mg－F电，带负电荷小球受静电力向下，合力为mg＋F电，不带电小球只受重力，因此带负电荷小球加速度最大，运动时间最短，水平位移最短，带正电荷小球加速度最小，运动时间最长，水平位移最大，不带电小球水平位移居中，选项A正确，选项B、D错误.在运动过程中，三个小球竖直方向位移相等，带负电荷小球合力做功最大，动能改变量最大，带正电荷小球动能改变量最小，即E k C＞E k B＞E k A，选项C错误.三、带电粒子在电场(复合场)中的圆周运动解决电场(复合场)中的圆周运动问题，关键是分析向心力的来源，向心力的来源有可能是重力和静电力的合力，也有可能是单独的静电力.如图4所示，半径为R的光滑绝缘圆环竖直置于场强大小为E、方向水平向右的匀强电场中，质量为m、带电荷量为＋q的空心小球穿在环上，当小球从顶点A由静止开始下滑到与圆心O等高的位置B时，求小球对环的压力.(重力加速度为g)图4答案2mg＋3Eq，方向水平向右解析小球从A到B的过程中，重力做正功，静电力做正功，动能增加，由动能定理有mgR ＋qER＝12，在B点时小球受到重力mg、静电力qE和圆环对小球的弹力F1三个力的作用，2m v静电力和弹力沿半径方向指向圆心的合力提供向心力，则F1－Eq＝m v2R联立解得F1＝2mg＋3Eq小球对环的压力与环对小球的弹力为作用力与反作用力，两者等大反向，即小球对环的压力大小F1′＝F1＝2mg＋3Eq，方向水平向右.1.如图1所示，在某一真空中，只有水平向右的匀强电场和竖直向下的重力场，在竖直平面内有初速度为v0的带电微粒，恰能沿图示虚线由A向B做直线运动.那么()图1A .微粒带正、负电荷都有可能B .微粒做匀减速直线运动C .微粒做匀速直线运动D .微粒做匀加速直线运动答案 B解析微粒做直线运动的条件是速度方向和合力的方向在同一条直线上，只有微粒受到水平向左的静电力才能使得合力方向与速度方向在同一条直线上，由此可知微粒所受的静电力的方向与场强方向相反，则微粒必带负电，微粒所受合力与初速度方向相反，故微粒做匀减速直线运动，故选项B正确 .2.(多选)如图2所示，真空环境下，三个质量相同、带电荷量分别为＋q、－q和0的小液滴a、b、c，从竖直放置的两板中间上方由静止释放，最后从两板间穿过，小液滴a、b、c的运动轨迹如图所示，则在穿过极板的过程中，下列说法正确的是()图2A .静电力对液滴a、b做的功相等B .三者动能的增量相同C .液滴a与液滴b电势能的变化量相等D .重力对液滴c做的功最多答案AC解析因为液滴a、b的带电荷量的绝对值相等，则液滴所受的静电力大小相等，由静止释放，穿过两板的时间相等，则偏转位移大小相等，静电力做功相等，故A正确；静电力对a、b 两液滴做功相等，重力做功相等，则a、b动能的增量相等，对于液滴c，只有重力做功，故c动能的增量小于a、b动能的增量，故B错误；对于液滴a和液滴b，静电力均做正功，静电力所做的功等于电势能的变化量，故C正确；三者在穿过极板的过程中竖直方向的位移相等，质量相同，所以重力做的功相等，故D错误.3.如图3所示，平行金属板A、B水平正对放置，分别带等量异号的电荷.一带电微粒沿水平方向射入板间，在重力和静电力共同作用下运动，其运动轨迹如图中虚线所示，那么()图3A .若微粒带正电荷，则A板一定带正电荷B .微粒从M点运动到N点，其电势能一定增加C .微粒从M点运动到N点，其动能一定增加D .微粒从M点运动到N点，其机械能一定增加答案 C解析由于不知道重力和静电力大小关系，所以不能确定静电力方向，不能由微粒电性确定极板所带电荷的电性，也不能确定静电力对微粒做功的正、负，选项A、B、D错误；根据微粒偏转方向可知微粒所受合外力一定竖直向下，则合外力对微粒做正功，由动能定理知微粒的动能一定增加，选项C 正确 .4.(多选)如图4所示，用绝缘细线拴一带负电小球，在竖直平面内做圆周运动，匀强电场方向竖直向下，则( )图4A .当小球运动到最高点a 时，细线的张力一定最小B .当小球运动到最低点b 时，小球的速度一定最大C .当小球运动到最高点a 时，小球的电势能最小D .小球在运动过程中机械能不守恒答案 CD解析 若qE ＝mg ，小球做匀速圆周运动，球在各处对细线的拉力一样大，故细线的张力一样大 .若qE ＜mg ，球在a 处速度最小，若qE ＞mg ，球在a 处速度最大，故A 、B 错误；a 点电势最高，负电荷在电势最高处电势能最小，故C 正确；小球在运动过程中除受到重力外，还受到静电力，静电力对小球做功，小球的机械能不守恒，D 正确 .5.(多选)两个共轴的半圆柱形电极间的缝隙中存在一沿半径方向的电场，如图5所示，带正电的粒子流由电场区域边缘的M 点射入电场，沿图中所示的半圆形轨道通过电场并从另一边缘的N 点射出，由此可知( )图5A .若入射粒子的电荷量相等，则出射粒子的质量一定相等B .若入射粒子的电荷量相等，则出射粒子的动能一定相等C .若入射粒子的比荷相等，则出射粒子的速率一定相等D .若入射粒子的比荷相等，则出射粒子的动能一定相等答案 BC解析 由题图可知，粒子在电场中做匀速圆周运动，静电力提供向心力，则有qE ＝m v 2R，得R ＝m v 2qE，R 、E 为定值，若入射粒子的电荷量相等，则出射粒子的动能一定相等，质量不一定相等；若入射粒子的比荷相等，则出射粒子的速率v一定相等，但动能不一定相等，故B、C正确.6.(多选)如图6所示，将一带正电的小球向右水平抛入范围足够大的匀强电场中，电场方向水平向左，不计空气阻力，则小球()图6A .做直线运动B .做曲线运动C .速率先减小后增大D .速率先增大后减小答案BC解析如图所示，对小球受力分析，小球受重力、静电力作用，合外力的方向与初速度的方向不在同一条直线上，故小球做曲线运动，选项A错误，B正确；在运动的过程中，合外力方向与速度方向间的夹角先为钝角后为锐角，故合外力对小球先做负功后做正功，所以速率先减小后增大，选项C正确，D错误.7 .(2020·河南郑州一中期中)在地面附近存在一个有界电场，边界将空间分成上、下两个区域Ⅰ、Ⅱ，在区域Ⅱ中有竖直向上的匀强电场，在区域Ⅰ中离边界某一高度处由静止释放一个质量为m的带电小球A，如图7甲所示，小球运动的v－t图像如图乙所示，不计空气阻力，则()图7A .小球受到的重力与静电力大小之比为4∶5B .t ＝5 s 时，小球经过边界MNC .在0～5 s 过程中，重力做的功大于克服静电力做的功D .在1～4 s 过程中小球机械能先减小后增大答案 D解析 由题意知，小球进入电场前做自由落体运动，进入电场后受到静电力作用先做减速运动后做加速运动，由题图分析可知，小球经过边界MN 的时刻是t ＝1 s 和t ＝4 s ，B 错误；由v －t 图像的斜率表示加速度，知小球进入电场前的加速度为a 1＝v 1t 1＝v 11＝v 1(m/s 2)，进入电场后的加速度大小为a 2＝2v 1t 2＝2v 13(m/s 2)，由牛顿第二定律得mg ＝ma 1，F －mg ＝ma 2，得静电力F ＝mg ＋ma 2＝53ma 1，可得重力mg 与静电力F 的大小之比为3∶5，A 错误；0～5 s 过程中，动能变化量为零，根据动能定理，整个过程中重力做的功与克服静电力做的功大小相等，C 错误；由题图可得，小球在0～2.5 s 内向下运动，在2.5～5 s 内向上运动，在1～4 s 过程中，静电力先做负功后做正功，小球的机械能先减小后增大，D 正确 .8.如图8所示，质量m ＝2.0×10－4 kg 、电荷量q ＝1.0×10－6 C 的带正电的微粒静止在空间范围足够大、电场强度为E 的匀强电场中，取g ＝10 m/s 2.图8(1)求匀强电场的电场强度E 的大小和方向；(2)在t ＝0时刻，电场强度大小突然变为E 0＝4.0×103 N/C ，方向不变 .求在0.20 s 时间内静电力做的功；(3)在(2)的情况下，t ＝0.20 s 时刻突然撤掉电场，求带电微粒回到出发点时的动能 . 答案 (1)2×103 N/C 方向向上 (2)8.0×10－4 J (3)8.0×10－4 J解析 (1)因微粒静止，可知其受力平衡，对其进行受力分析可知静电力方向向上，且Eq ＝mg ，解得E ＝mg q ＝2.0×10－4×101.0×10－6 N/C ＝2.0×103 N/C ，微粒带正电，知电场方向向上 .(2)在t ＝0时刻，电场强度大小突然变为E 0＝4.0×103 N/C ，设微粒的加速度大小为a ，在0.20 s 时间内上升的高度为h ，静电力做功为W ，则qE 0－mg ＝ma ，解得a ＝10 m/s 2，h ＝12at 2，解得h ＝0.20 m ， W ＝qE 0h ，解得W ＝8.0×10－4 J.(3)设在t ＝0.20 s 时刻突然撤掉电场时微粒的速度大小为v ，回到出发点时的动能为E k ，则v ＝at ，E k ＝mgh ＋12m v 2， 解得E k ＝8.0×10－4 J.9.如图9所示，水平地面上方分布着水平向右的匀强电场 .一L 形的绝缘硬质管竖直固定在匀强电场中，管的水平部分为l 1＝0.2 m ，离水平地面的距离为h ＝5.0 m ，竖直部分长为l 2＝0.1 m .一带正电的小球从管的上端口A 由静止释放，小球与管间摩擦不计且小球通过管的弯曲部分(长度极短，可不计)时没有能量损失，小球在电场中受的静电力大小为重力的一半 .求：(g 取10 m/s 2)图9(1)小球运动到管口B 时的速度大小；(2)小球落地点与管的下端口B 的水平距离 .答案 (1)2.0 m/s (2)4.5 m解析 (1)小球从A 运动到B 的过程中，对小球，根据动能定理得mgl 2＋F 电l 1＝12m v B 2－0， F 电＝12mg ， 解得v B ＝g (l 1＋2l 2)，代入数据可得v B ＝2.0 m/s.(2)小球离开B 点后，设水平方向的加速度为a ，在空中运动的时间为t .水平方向有a ＝g 2，x ＝v B t ＋12at 2，竖直方向有h ＝12gt 2 联立以上各式可得x ＝4.5 m.10.(2020·雅安市期末)如图10所示，内表面光滑且绝缘的半径为1.2 m 的圆形轨道处于竖直平面内，有竖直向下的匀强电场，场强大小为3×106 V/m.有一质量为0.12 kg 、带负电的小球，电荷量大小为1.6×10－6 C ，小球在圆轨道内壁做圆周运动，当运动到最低点A 时，小球与轨道压力恰好为零，g 取10 m/s 2，求：图10(1)小球在A 点时的速度大小；(2)小球运动到最高点B 时对轨道的压力大小 .答案 (1)6 m/s (2)21.6 N解析 (1)重力：G ＝mg ＝0.12 kg ×10 N/kg ＝1.2 N ，静电力：F ＝qE ＝1.6×10－6 C ×3×106 V/m ＝4.8 N ，在A 点，有：qE －mg ＝m v 12R， 代入数据解得：v 1＝6 m/s.(2)设球在B 点的速度大小为v 2，从A 到B ，由动能定理有：(qE －mg )2R ＝12m v 22－12m v 12， 在B 点，设轨道对小球的弹力为F N ，则有：F N ＋mg －qE ＝m v 22R， 由牛顿第三定律有：F N ′＝F N ，代入数据解得：F N ′＝21.6 N.11 .(多选)在空间水平面MN 的下方存在竖直向下的匀强电场，质量为m 的带电小球由MN 上方的A 点以一定初速度水平抛出，从B 点进入电场，到达C 点时速度方向恰好水平，A 、B 、C 三点在同一直线上，且AB ＝2BC ，如图11所示 .重力加速度为g ，由此可见( )图11A .静电力为3mgB .小球带正电C .小球从A 到B 与从B 到C 的运动时间相等D .小球从A 到B 与从B 到C 的速度变化量的大小相等答案 AD解析 两个平抛过程水平方向的位移是二倍的关系，所以时间也是二倍的关系，故C 错误；分别列出竖直方向的方程，即h ＝12gt 2，h 2＝12×F －mg m (t 2)2，解得F ＝3mg ，故A 正确；小球受到的静电力向上，与电场方向相反，所以小球应该带负电，故B 错误；速度变化量等于加速度与时间的乘积，即Δv ＝at ，结合以上的分析可得，AB 过程Δv ＝gt ，BC 过程Δv ＝3mg －mg m×t 2＝gt ，故D 正确 .。
带电粒子在电场重力场中运动
带电粒子在电场和重力场的复合场中的运动教学目标：（一）知识与技能1.带电粒子在复合场中的运动处理方法。
2. 将力学中的研究方法，灵活地迁移到复合场中，分析解决力、电综合问题。
（二）过程与方法培养学生综合运用力学和电学知识，分析解决带电粒子在复合场中的运动能力。
（三）情感态度与价值观培养学生综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。
教学重点：用力和运动的观点来分析带电体的运动模型。
教学难点：带电粒子在复合场中的运动规律教学过程：引入：我们本节课所讲的复合场指的是重力场和电场并存。
带电粒子在复合场中运动，物理情景比较复杂，是每年高考命题的热点；这部分内容从本质上讲是一个力学问题，应根据力学问题的研究思路和运用力学的基本规律求解。
带电粒子在复合场中运动的基本类型和解法归纳如下。
一：求解带电粒子在复合场中运动的基本思路1：带电粒子在电场中的运动问题，实质是力学问题，其解题的一般步骤仍然为：2：确定研究对象；3：进行受力分析（注意重力是否能忽略）；4：根据粒子的运动情况，运用牛顿运动定律结合运动学公式、动能定理或能量关系列方程式求解．二：带电粒子在复合场中运动的受力特点（1）重力的大小为，方向竖直向下．重力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的质量有关外，还与始末位置的高度差有关。
（2）电场力的大小为，方向与电场强度E及带电粒子所带电荷的性质有关，电场力做功与路径无关，其数值除与带电粒子的电荷量有关外，还与始末位置的电势差有关。
重力、电场力可能做功而引起带电粒子能量的转化。
三：带电粒子在复合场中运动的物理模型类型一：带电粒子在复合场中的直线运动1、当带电粒子在复合场中所受的合外力为0时，粒子将做匀速直线运动或静止．例1：带电粒子静止在电场中。
（1）带电粒子带什么电？（2）若给初速度以下情况下带电粒子将做什么运动？2：当带电粒子所受的合外力与运动方向在同一条直线上时，粒子将做变速直线运动例题2如图所示，平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度，两极板与一直流电源相连。
高中物理必修三 新教材 学习笔记 学习笔记目录
第九章静电场及其应用11电荷/12库仑定律/4专题强化1库仑定律的应用/73电场电场强度/9第1课时电场强度电场强度的叠加/9第2课时电场线匀强电场/12专题强化2静电力的性质/154静电的防止与利用/18章末素养提升/21第十章静电场中的能量231电势能和电势/232电势差/263电势差与电场强度的关系/28专题强化3电场线、等势面与带电粒子运动轨迹问题等分法的应用/30 专题强化4电场能的性质及图像问题/324电容器的电容/34第1课时电容器的电容/34第2课时平行板电容器的电容/385带电粒子在电场中的运动/40第1课时带电粒子在电场中的运动/40第2课时带电粒子在电场中偏转的推论和示波管的原理/42专题强化5带电粒子在交变电场中的运动/44专题强化6带电粒子在电场和重力场中的运动/46章末素养提升/49第十一章电路及其应用521电源和电流/522导体的电阻/553实验：导体电阻率的测量/58实验1长度的测量及测量工具的选用/58实验2金属丝电阻率的测量/614串联电路和并联电路/64第1课时串联电路和并联电路滑动变阻器的两种接法/64第2课时电表的改装电流表的内接法和外接法/665实验：练习使用多用电表/69专题强化7电阻的测量/73章末素养提升/77第十二章电能能量守恒定律791电路中的能量转化/792闭合电路的欧姆定律/82第1课时闭合电路的欧姆定律/82第2课时路端电压与负载的关系欧姆表的原理/84专题强化8闭合电路的功率两种UI图像的对比/87专题强化9闭合电路的动态分析含有电容器的电路故障分析/90 3实验：电池电动势和内阻的测量/93第1课时伏安法测电池的电动势和内阻/93第2课时伏阻法和安阻法测电池的电动势和内阻/954能源与可持续发展/97章末素养提升/100第十三章电磁感应与电磁波初步1021磁场磁感线/1022磁感应强度磁通量/1053电磁感应现象及应用/1084电磁波的发现及应用/1115能量量子化/114章末素养提升/116课前预习答案精析/119练透(另成册125～204、205～220)答案精析(另成册221～268)。
带电粒子在电场中的运动知识点总结
带电粒子在电场中的运动知识点精解1．带电粒子在电场中的加速这是一个有实际意义的应用问题。
电量为q的带电粒子由静止经过电势差为U 的电场加速后，根据动能定理及电场力做功公式可求得带电粒子获得的速度大小为可见，末速度的大小与带电粒子本身的性质(q/m)有关。
这点与重力场加速重物是不同的。
2．带电粒子在电场中的偏转如图1-36所示，质量为m的负电荷-q以初速度v0平行两金属板进入电场。
设两板间的电势差为U，板长为L，板间距离为d。
则带电粒子在电场中所做的是类似平抛的运动。
(1)带电粒子经过电场所需时间(可根据带电粒子在平行金属板方向做匀速直线运动求)(2)带电粒子的加速度(带电粒子在垂直金属板方向做匀加速直线运动)(3)离开电场时在垂直金属板方向的分速度(4)电荷离开电场时偏转角度的正切值3．处理带电粒子在电场中运动问题的思想方法(1)动力学观点这类问题基本上是运动学、动力学、静电学知识的综合题。
处理问题的要点是要注意区分不同的物理过程，弄清在不同物理过程中物体的受力情况及运动性质，并选用相应的物理规律。
能用来处理该类问题的物理规律主要有：牛顿定律结合直线运动公式；动量定理；动量守恒定律。
(2)功能观点对于有变力参加作用的带电体的运动，必须借助于功能观点来处理。
即使都是恒力作用问题，用功能观点处理也常常显得简洁。
具体方法常用两种：①用动能定理。
②用包括静电势能、内能在内的能量守恒定律。
【说明】该类问题中分析电荷受力情况时，常涉及“重力”是否要考虑的问题。
一般区分为三种情况：①对电子、质子、原子核、(正、负)离子等带电粒子均不考虑重力的影响；②根据题中给出的数据，先估算重力mg和电场力qE的值，若mg<<qE，也可以忽略重力；③根据题意进行分析，有些问题中常隐含着必须考虑重力的情况，诸如“带电颗粒”、“带电液滴”、“带电微粒”、“带电小球”等带电体常常要考虑其所受的重力。
总之，处理问题时要具体问题具体分析。
带电粒子在电场中的运动 专题讲解
带电粒子在电场中的运动专题讲解
带电粒子在电场中的运动是电学中的重要内容,涉及到电荷的运动和电场的作用。
带电粒子在电场中的运动可以分为两种情况,一种是恒定电场中的运动,另一种是离散电场中的运动。
下面将对这两种情况进行专题讲解。
一、恒定电场中的运动
恒定电场是指电场强度不变的电场,即电场线密度不变的电场。
带电粒子在恒定电场中运动时,受到电场的力和重力,电场力大小和方向与电场线方向一致,重力大小和方向与重力场方向一致。
根据牛顿第二定律,带电粒子所受的合力等于零,带电粒子保持匀速直线运动。
恒定电场中的运动的公式如下:
a = v / t
其中,a表示带电粒子加速度,v表示带电粒子的速度,t表示带电粒子运动的时间。
二、离散电场中的运动
离散电场是指电场强度和时间离散的电场。
带电粒子在离散电场中运动时,受到电场的力和重力,电场力大小和方向根据时间步长而变化,重力大小和方向与重力场方向一致。
根据牛顿第二定律,带电粒子所受的合力等于零,带电粒子保持匀速直线运动。
离散电场中的运动的公式如下:
a = v / t
其中,a表示带电粒子加速度,v表示带电粒子的速度,t表示带电粒子运动的时间。
带电粒子在电场中的运动是电学中的重要内容。
恒定电场中的运动是带电粒子在电场中保持匀速直线运动的情况,离散电场中的运动是带电粒子在电场中受到电场力大小和方向根据时间步长而变化的情况。
了解这两种运动的情况,可以帮助我们更好地理解电荷在电场中的作用和运动规律。
高中物理必修三 练透试卷 第10章 专题强化练6 带电粒子在电场和重力场中的运动
专题强化练6带电粒子在电场和重力场中的运动1.(2023·乐山市草堂高级中学高二期中)如图所示，水平向左的匀强电场中，质量为m的带电小球从A点沿直线由A点运动到B点。
不计空气阻力，在这一过程中()A．小球一定带负电B．小球在做匀加速直线运动C．小球的电势能减小D．小球的机械能增加2.(多选)如图所示，真空环境下，三个质量相同、带电荷量分别为＋q、－q和0的小液滴a、b、c，从竖直放置的两板中间上方由静止释放，最后从两板间穿过，小液滴a、b、c的运动轨迹如图所示，则在穿过极板的过程中，下列说法正确的是()A．静电力对液滴a、b做的功相等B．三者动能的增量相同C．液滴a与液滴b电势能的变化量相等D．重力对液滴c做的功最多3．(2022·富宁县第一中学高二开学考试)如图所示，一个带负电的油滴以初速度v0从P点斜向上进入水平方向的匀强电场中，v0与水平方向的夹角θ＝45°，若油滴到达最高点时速度大小仍为v0，则油滴最高点的位置在()A．P点的左上方B．P点的右上方C．P点的正上方D．上述情况都可能4.(多选)(2023·北京交通大学附属中学高二期中)如图所示，真空中存在竖直向下的匀强电场，一个带电油滴(考虑重力)沿虚线由a向b运动，以下判断正确的是()A．油滴一定带负电B．油滴的电势能一定增加C．油滴的动能一定减少D．油滴的动能与电势能之和一定减少5.(多选)(2023·南阳市卧龙区高二月考)如图所示，用绝缘细线拴一带负电小球，在竖直平面内做圆周运动，匀强电场方向竖直向下，则()A．小球可能做匀速圆周运动B．当小球运动到最高点a时，线的张力一定最小C．当小球运动到最高点a时，小球的电势能一定最小D．当小球运动到最低点b时，小球的速度一定最大6.(2023·上海市青浦高级中学高二期中)如图所示，有三个质量相等分别带正电、负电和不带电的小球，从P点以相同的初速度垂直电场方向进入匀强电场E中，它们分别落到A、B、C 三点，则可判断()A．三个小球到达正极板时的动能关系是E k A>E k B>E k CB．三个小球在电场中运动的时间t A＝t B＝t CC．三个小球在电场中运动的加速度关系是a C>a B>a AD．落到A点的小球带负电，落到B点的小球不带电7.如图所示，水平地面上方存在水平向左的匀强电场，一质量为m的带电小球(大小可忽略)用绝缘细线悬挂于O点，小球带电荷量为＋q，静止时距地面的高度为h，细线与竖直方向的夹角为α＝37°，重力加速度为g。
带电粒子在重力场和电场中的运动
B．小球到B点的速度最大
C．小球可能能够到达A点，且到A点时的速度不为零
D．小球运动到A点时所受绳的拉力最大
3、“竖直上抛运动”
在竖直向下的匀强电场中，以V0初速度竖直向上发射一个质量为 m带电量为q的带正电小球，求上升的最大高度。
4、竖直平面内的圆周运动 【知识回顾】
如图3-1所示，绝缘光滑轨道AB部分为倾角为30°的斜 面，AC部分为竖直平面上半径为R的圆轨道，斜面与圆 轨道相切。整个装置处于场强为E、方向水平向右的匀 强电场中。现有一质量为m的带正电，电量为q 3mg
3E
小球，要使小球能安全通过圆轨道，在O点的初速度应 为多大？
E O R
5、类平抛运动 水平放置带电的两平行金属板，相距d,质量为m的微粒 由板中间以某一初速平行于板的方向进入，若微粒不带 电，因重力作用在离开电场时，向下偏转d/4，若微粒 带正电，电量为q，仍以相同的初速度进入电场，微粒 恰好不再射出电场，则两板的电势差应为多少？并说明 上下板间带电性？
用长为R的细线栓一个质量为m的小球，刚好能在 竖直平面内做圆周运动。求： （1）小球在什么位置速度最小，为多少，此时绳 的拉力为多大？ （2）小球在什么位置速度最大，为多少，此时A绳 的拉力为多大？
特点： 最低点： （B点） 物体自由时可以平衡的位置 最高点： （A点） 最低点关于圆心对称的位置
TR B
重力环境对比： 小球在A—B—C之间往复运动，则α 、β的关系为： A．α = β B．α > β C．α < β D．无法比较
如图所示，在水平方向的匀强电场中的O点，用长为l的轻、软绝 缘细线悬挂一质量为m的带电小球，当小球位于B点时处于静止状 态，此时细线与竖直方向（即OA方向）成θ角．现将小球拉至细 线与竖直方向成2θ角的C点，由静止将小球释放．若重力加速度为 g ，则对于此后小球的受力和运动情况，下列判断中正确的是
高中物理带电粒子在电场中的运动精品课件-PPT
四、示波器得原理 (第二课时)
1、示波器作用:就是一种用来观察电信号随时间 变化得电子仪器。
2、她得核心部件就是示波管:由电子枪、偏转电 极和荧光屏组成,管内抽成真空。
四、示波器得原理
产生高速飞 锯齿形扫 行得电子束 描电压
使电子沿x 方向偏移
待显示得 电压信号
使电子沿Y 方向偏移
3、原
理已知:U1、l、YY׳偏转电极得电压U2、板间距d 、 板
y U2l2
4U1d
与粒子得电量q、 质量m无关
中,重力可忽略。在满足电子能射出平行板区得条
件下,下述四种情况中,一定能使电子得偏转角θ变大
得就是 ( )
A、U1变大、U2变大 C、U1变大、U2变小
B、U1变小、U2变大 D、U1变小、U2变小
析与解 对加速过程由动能定理:
qU1
1 2
mv02
mv02 2qU1
对偏转过程由偏转角正切公式:
开电场后得偏转角正切为0、25
√D、如果带电粒子得初动能为原来得2倍,则粒子离 开电场后得偏转角正切为0、25
强化练习
5、质子(质量为m、电量为e)和二价氦离子
(质量为4m、电量为2e)以相同得初动能垂
直射入同一偏转电场中,离开电场后,她们
得偏转角正切之比为
2:1,侧移之比
为
。2:1
tan qUl
析与解
y
qUl 2 2mv02d
而yc yb
v0c ya
ybv0b又y又 t1atvl20
2
tc tb ta tb
而la lb v0a v0b
Ek W qEy
Eka Ekb Ekc
强化练习
7、如图,电子在电势差为U1得加速电场中由静止开 始加速,然后射入电势差为U2得两块平行极板间得 电场中,入射方向跟极板平行。整个装置处在真空
高中物理新教材同步 必修第三册 第10章 专题强化6 带电粒子在电场和重力场中的运动
专题强化6带电粒子在电场和重力场中的运动[学习目标] 1.会应用运动和力、功和能的关系分析带电粒子在电场和重力场中的运动问题(重难点)。
2.学会利用“等效法”解决带电粒子在电场和重力场中圆周运动的临界问题(重难点)。
一、带电粒子在电场和重力场中的直线运动1．做直线运动的条件(1)合外力为零，物体做匀速直线运动；(2)合外力不为零，但合外力的方向与运动方向在同一直线上，物体做匀变速直线运动。
2．处理带电粒子在电场和重力场中的直线运动的方法(1)动力学方法——牛顿运动定律、运动学公式。
(2)功、能量方法——动能定理、能量守恒定律。
例1(多选)如图所示，平行板电容器的两个极板与水平地面成一角度，两极板与一直流电源相连。
若一带电粒子恰能沿图中所示水平直线通过电容器，则在此过程中，该粒子()A．所受合力为零B．做匀减速直线运动C．电势能逐渐增加D．机械能逐渐增加答案BC解析根据题意可知，粒子做直线运动，静电力垂直极板向上，重力竖直向下，不在同一直线上，所以重力与静电力不平衡，对粒子受力分析可知静电力与重力的合力与速度方向反向，粒子做匀减速直线运动，故A错误，B正确；由图可知，静电力做负功，故电势能增加，机械能减小，故C正确，D错误。
针对训练如图所示，水平放置的平行板电容器的两极板M、N间距离L＝15 cm，接上直流电源。
上极板M的中央有一小孔A，在A的正上方h＝20 cm处的B点，有一小油滴自由落下。
已知小油滴的电荷量Q＝－3.5×10－14C，质量m＝3.0×10－9 kg。
当小油滴到达下极板时，速度恰好为零。
(不计空气阻力，g＝10 m/s2)(1)求两极板间的电场强度大小E；(2)求两极板间的电势差大小；(3)设平行板电容器的电容C＝4.0×10－12 F，则该电容器带电荷量q是多少？答案(1)2×106 V/m(2)3×105 V(3)1.2×10－6 C解析(1)小油滴下落过程中，在M板上方做自由落体运动；进入匀强电场后，受重力和静电力作用，小油滴做匀减速运动，到达N板时速度为零。
第十章 专题强化二十二 带电粒子在立体空间中的运动
专题强化二十二 带电粒子在立体空间中的运动 目标要求 1.会处理带电粒子在匀强磁场中的螺旋线运动和叠加场中的旋进运动.2.掌握带电粒子在立体空间中的运动的解题思路和处理方法．题型一 带电粒子的螺旋线运动和旋进运动空间中匀强磁场的分布是三维的，带电粒子在磁场中的运动情况可以是三维的．现在主要讨论两种情况：(1)空间中只存在匀强磁场，当带电粒子的速度方向与磁场的方向不平行也不垂直时，带电粒子在磁场中就做螺旋线运动．这种运动可分解为平行于磁场方向的匀速直线运动和垂直于磁场平面的匀速圆周运动．(2)空间中的匀强磁场和匀强电场(或重力场)平行时，带电粒子在一定的条件下就可以做旋进运动，这种运动可分解为平行于磁场方向的匀变速直线运动和垂直于磁场平面的匀速圆周运动．例1 如图所示，质子以初速度v 进入磁感应强度为B 且足够大的匀强磁场中，速度方向与磁场方向的夹角为θ.已知质子的质量为m 、电荷量为e .质子重力不计，则下列说法正确的是( )A ．质子运动的轨迹为螺旋线，螺旋线的中轴线方向垂直于纸面向里B ．质子在垂直于磁场平面做圆周运动的半径为m v cos θeBC ．质子做螺旋线运动的周期为2πm eB sin θD ．一个周期内，质子沿着螺旋线轴线方向运动的距离(即螺距)为2πm v cos θeB答案 D解析 将质子的初速度分解为垂直于磁场方向的速度v 1＝v sin θ，沿磁场方向的速度v 2＝v cos θ，质子沿垂直磁场方向做匀速圆周运动，沿磁场方向做匀速直线运动，则质子运动的轨迹为螺旋线，螺旋线的中轴线方向平行磁场方向，选项A 错误；质子做螺旋线运动的半径为r ＝m v 1eB＝m v sin θeB ，选项B 错误；质子做螺旋线运动的周期为T ＝2πr v 1＝2πm eB，选项C 错误；一个周期内，质子沿着螺旋线轴线方向运动的距离(即螺距)为x ＝v 2T ＝2πm v cos θeB，选项D 正确． 例2 (2023·山东菏泽市模拟)在空间中存在水平向右的匀强磁场和匀强电场，磁感应强度大小为B ，电场强度大小为E ，方向均沿x 轴水平向右．在O 点，一个α粒子(氦原子核)以速度v 0沿与x 轴夹角为60°的方向射入电、磁场，已知质子质量为m 、电荷量为q ，不计α粒子的重力．求：(1)α粒子离x 轴的最远距离；(2)α粒子从O 点射出后，第3次与x 轴相交时的动能．答案 (1)23m v 0qB (2)2m v 02＋12πmE B (v 0＋6πE B) 解析 (1)由题意可知α粒子的质量为m α＝4m 、电荷量为q α＝2q ，将α粒子的初速度分解成沿x 轴方向的分速度v x 与垂直x 轴方向的分速度v y ，则有v x ＝v 0cos 60°＝12v 0，v y ＝v 0sin 60°＝32v 0 由于v x 与磁场方向平行，不受洛伦兹力影响，电场方向沿着x 轴方向，只影响v x ，不影响v y ，故α粒子在电、磁场中的运动可分解为：垂直于x 轴的平面内做匀速圆周运动，沿x 轴方向做匀加速直线运动．对于垂直于x 轴平面内的匀速圆周运动，有q αv y B ＝m αv y 2r ，解得圆周运动半径r ＝m αv y q αB ＝4m v y 2qB ＝3m v 0qB，故α粒子离x 轴的最远距离是直径的长度，即为23m v 0qB ； (2)α粒子从O 点射出后，第3次与x 轴相交时，由于在垂直于x 轴的平面内做匀速圆周运动，可知此过程经历的时间t ＝3T ＝3×2πm αq αB ＝12πm qB，沿x 轴方向的匀加速直线运动所通过的位移x ＝v x t ＋12at 2，又加速度a ＝q αE m α＝qE 2m ，解得x ＝6πm qB (v 0＋6πE B) α粒子从O 点射出后到第3次与x 轴相交的过程，由动能定理有q αEx ＝E k －12m αv 02 联立解得α粒子从O 点射出后，第3次与x 轴相交时的动能E k ＝2m v 02＋12πmE B (v 0＋6πE B)．题型二 带电粒子在立体空间中的偏转分析带电粒子在立体空间中的运动时，要发挥空间想象力，确定粒子在空间的位置关系．带电粒子依次通过不同的空间，运动过程分为不同的阶段，只要分析出每个阶段上的运动规律，再利用两个空间交界处粒子的运动状态和关联条件即可解决问题．有时需要将粒子的运动分解为两个互相垂直的平面内的运动(比如螺旋线运动和旋进运动)来求解．例3 (2022·山东卷·17)中国“人造太阳”在核聚变实验方面取得新突破，该装置中用电磁场约束和加速高能离子，其部分电磁场简化模型如图所示，在三维坐标系Oxyz 中，0<z ≤d 空间内充满匀强磁场Ⅰ，磁感应强度大小为B ，方向沿x 轴正方向；－3d ≤z <0，y ≥0的空间内充满匀强磁场Ⅱ，磁感应强度大小为22B ，方向平行于xOy 平面，与x 轴正方向夹角为45°；z <0，y ≤0的空间内充满沿y 轴负方向的匀强电场．质量为m 、带电量为＋q 的离子甲，从yOz 平面第三象限内距y 轴为L 的点A 以一定速度出射，速度方向与z 轴正方向夹角为β，在yOz 平面内运动一段时间后，经坐标原点O 沿z 轴正方向进入磁场Ⅰ.不计离子重力．(1)当离子甲从A 点出射速度为v 0时，求电场强度的大小E ；(2)若使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，求进入磁场时的最大速度v m ；(3)离子甲以qBd 2m的速度从O 点沿z 轴正方向第一次穿过xOy 面进入磁场Ⅰ，求第四次穿过xOy 平面的位置坐标(用d 表示)；(4)当离子甲以qBd 2m 的速度从O 点进入磁场Ⅰ时，质量为4m 、带电量为＋q 的离子乙，也从O 点沿z 轴正方向以相同的动能同时进入磁场Ⅰ，求两离子进入磁场后，到达它们运动轨迹第一个交点的时间差Δt (忽略离子间相互作用)．答案 (1)m v 02sin βcos βqL (2)qBd m(3)(d ，d ,0) (4)(2＋22)πm qB解析 (1)如图所示将离子甲在A 点的出射速度v 0分解到沿y 轴方向和z 轴方向，离子受到的电场力沿y 轴负方向，可知离子沿z 轴方向做匀速直线运动，沿y 轴方向做匀减速直线运动，从A 到O 的过程，有L ＝v 0cos β·t ，v 0sin β＝at ，a ＝qE m联立解得E ＝m v 02sin βcos βqL； (2)如图所示离子从坐标原点O 沿z 轴正方向进入磁场Ⅰ中，由洛伦兹力提供向心力可得q v 1B ＝m v 12r Ⅰ离子经过磁场Ⅰ偏转后从y 轴进入磁场Ⅱ中，由洛伦兹力提供向心力可得q v 1·22B ＝m v 12r Ⅱ，可得r Ⅱ＝2r Ⅰ 为了使离子在磁场中运动，需满足r Ⅰ≤d ，r Ⅱ≤3d则可得v 1≤qBd m故要使离子甲进入磁场后始终在磁场中运动，进入磁场时的最大速度为qBd m； (3)离子甲以v ＝qBd 2m的速度从O 点沿z 轴正方向第一次穿过xOy 面进入磁场Ⅰ，离子在磁场Ⅰ中的轨迹半径为r 1＝m v qB ＝d 2离子在磁场Ⅱ中的轨迹半径为r 2＝2d 2离子从O 点第一次穿过到第四次穿过xOy 平面的运动情景，如图所示离子第四次穿过xOy 平面的x 坐标为x 4＝2r 2sin 45°＝d离子第四次穿过xOy 平面的y 坐标为y 4＝2r 1＝d故离子第四次穿过xOy 平面的位置坐标为(d ，d ,0)；(4)设离子乙的速度为v ′，根据离子甲、乙动能相同，可得12m v 2＝12×4m v ′2 可得v ′＝v 2＝qBd 4m离子乙在磁场Ⅰ中的轨迹半径为r 1′＝4m v ′qB＝d ＝2r 1 离子乙在磁场Ⅱ中的轨迹半径为r 2′＝4m v ′q ·22B ＝2d ＝2r 2 根据几何关系可知离子甲、乙运动轨迹第一个交点如图所示，从O 点进入磁场到轨迹第一个交点的过程，有t 甲＝T 1＋T 2＝2πm qB ＋2πm q ·22B ＝(2＋22)πm qB t 乙＝12T 1′＋12T 2′＝12×2π·4m qB ＋12×2π·4m q ·22B ＝(4＋42)πm qB可得离子甲、乙到达它们运动轨迹第一个交点的时间差为Δt ＝t 乙－t 甲＝(2＋22)πm qB. 课时精练1．(2022·重庆卷·5)2021年中国全超导托卡马克核聚变实验装置创造了新的纪录．为粗略了解等离子体在托卡马克环形真空室内的运动状况，某同学将一小段真空室内的电场和磁场理想化为方向均水平向右的匀强电场和匀强磁场(如图)，电场强度大小为E ，磁感应强度大小为B .若某电荷量为q 的正离子在此电场和磁场中运动，其速度平行于磁场方向的分量大小为v 1，垂直于磁场方向的分量大小为v 2，不计离子重力，则( )A ．电场力的瞬时功率为qE v 12＋v 22B ．该离子受到的洛伦兹力大小为q v 1BC ．v 2与v 1的比值不断变大D ．该离子的加速度大小不变答案 D解析 根据功率的计算公式可知P ＝F v cos θ，则电场力的瞬时功率为P ＝Eq v 1，A 错误；由于v 1与磁场B 平行，则根据洛伦兹力的计算公式知F 洛＝q v 2B ，B 错误；根据运动的叠加原理可知，离子在垂直于磁场方向做匀速圆周运动，沿磁场方向做加速运动，则v 1增大，v 2不变，v 2与v 1的比值不断变小，C 错误；离子受到的安培力不变，电场力不变，则该离子的加速度大小不变，D 正确．2.如图所示，竖直平面MNRS 的右侧存在方向竖直向上且足够大的匀强磁场，从平面MNRS 上的O 点处以初速度v 0＝10 m/s 垂直MNRS 面向右抛出一带电荷量为q 、质量为m 的小球．若磁感应强度大小B ＝πm q，g 取10 m/s 2.求：(1)小球离开磁场时的速度大小；(2)小球离开磁场时的位置与抛出点的距离．答案 (1)10 2 m/s (2)5ππ2＋16 m 解析 (1)小球在水平方向做匀速圆周运动，在竖直方向做自由落体运动，水平方向小球恰好转半个周期离开磁场，故离开磁场的时间为t ＝T 2＝πm qB＝1 s ，则离开磁场时在竖直方向上的速度v y ＝gt ＝10 m/s ，故小球离开磁场时的速度大小为v ＝v 02＋v y 2＝10 2 m/s.(2)小球离开磁场时在竖直方向的位移大小为y ＝12gt 2＝5 m ，小球在水平方向做匀速圆周运动有q v 0B ＝m v 02R ，解得R ＝m v 0qB ，水平方向位移为直径，即x ＝2R ＝2m v 0qB ＝20π m ，则小球离开磁场时的位置与抛出点的距离为s ＝x 2＋y 2＝5ππ2＋16 m.3.某离子实验装置的基本原理图如图所示，截面半径为R 的圆柱腔分为两个工作区，Ⅰ区长度d ＝4R ，内有沿y 轴正向的匀强电场，Ⅱ区内既有沿z 轴负向的匀强磁场，又有沿z 轴正向的匀强电场，电场强度与Ⅰ区电场强度等大．现有一正离子从左侧截面的最低点A 处以初速度v 0沿z 轴正向进入Ⅰ区，经过两个区域分界面上的B 点进入Ⅱ区，在以后的运动过程中恰好未从圆柱腔的侧面飞出，最终从右侧截面上的C 点飞出，B 点和C 点均为所在截面处竖直半径的中点(如图中所示)，已知离子质量为m 、电荷量为q ，不计离子重力，求：(1)电场强度的大小；(2)离子到达B 点时速度的大小；(3)Ⅱ区中磁感应强度的大小；(4)Ⅱ区的长度L 应为多大．答案 (1)3m v 0216Rq (2)54v 0 (3)2m v 0qR (4)n πR ＋3n 2π232R (n ＝1,2,3，…) 解析 (1)离子在Ⅰ区做类平抛运动，根据类平抛运动的规律有4R ＝v 0t ，3R 2＝12at 2，根据牛顿第二定律有a ＝Eq m ，解得电场强度的大小为E ＝3m v 0216Rq. (2)类平抛过程由动能定理有3EqR 2＝12m v 2－12m v 02，解得离子到达B 点时速度的大小为v ＝54v 0. (3)离子在Ⅱ区内做复杂的旋进运动．将该运动分解为圆柱腔截面上的匀速圆周运动和z 轴正方向的匀加速直线运动，根据题意可得，在圆柱腔截面上的匀速圆周运动轨迹如图所示．设临界圆轨迹半径为r ，根据几何知识有(R －r )2＝r 2＋R 24，解得离子的轨迹半径为 r ＝38R ，离子沿y 轴正方向的速度为 v y ＝v 2－v 02＝34v 0，则根据洛伦兹力提供向心力有 q v y B ＝m v y 2r解得Ⅱ区中磁感应强度大小为B ＝2m v 0qR.(4)离子在圆柱腔截面上做匀速圆周运动的周期为 T ＝2πr v y，由题意知离子在Ⅱ区运动的时间为T 的整数倍，离子在z 轴正方向上做匀加速直线运动，根据匀变速直线运动的位移公式可得L ＝v 0nT ＋12a (nT )2(n ＝1,2,3，…)，联立解得Ⅱ区的长度为L ＝n πR ＋3n 2π232R (n ＝1,2,3，…)． 4.如图所示，一些质量为m 、电荷量为＋q 的带电粒子从一线状粒子源射出(初速度可视为0)，经过电压为U 的电场加速后，粒子以一定的水平初速度从MS 段垂直射出(S 为MF 中点)，进入棱长为L 的正方体电磁修正区内(内部有垂直面MPRG 的方向如图，磁感应强度B 和电场强度E 大小未知的匀强磁场与匀强电场)．距离正方体底部3L 处有一与RNAG 平行且足够大平板．现以正方体底面中心O 在平板的垂直投影点为原点，在平板内建立直角坐标系(其中x 轴与GR 平行)．所有带电粒子都从正方体底面离开，且从M 点进入正方体的粒子在正方体中运动的时间满足2πm 3qB.不计粒子重力．(1)求粒子进入棱长为L 的正方体电磁修正区时速度的大小；(2)粒子射出正方体电磁修正区后到达平板所需的时间；(3)若满足关系式E ＝qUB 22π2m，求从M 点入射的粒子最后打到平板上的位置坐标．(结果用L 表示)答案 (1)2qU m (2)2L m 2qU(3)⎝⎛⎭⎪⎫－9－236L ，9＋4π54L 解析 (1)设粒子进入棱长为L 的正方体电磁修正区时的速度大小为v ，根据动能定理有qU ＝12m v 2，解得v ＝2qU m(2)在正方体中，粒子在平行于MPRG 平面方向的分运动为匀速圆周运动，在垂直于MPRG 平面方向的分运动为匀加速直线运动，设粒子做圆周运动的周期为T ，根据洛伦兹力提供向心力有q v B ＝m v 2R ，又T ＝2πR v ，联立解得T ＝2πm Bq从M 点进入正方体的粒子在正方体中的运动时间为t 1＝2πm 3qB ＝T 3，所以粒子做圆周运动转过的圆心角为120°，根据几何关系可知粒子离开正方体时的速度在垂直于平板方向的分量大小为v 2＝v cos 30°.离开正方体后粒子做匀速直线运动，到达平板所需的时间为t 2＝3L v 2，联立解得t 2＝2L m 2qU (3)根据几何关系有R ＋R cos 60°＝L ，解得R ＝23L ，粒子在正方体中做匀加速直线运动的加速度大小为a ＝qE m ＝q m qUB 22π2m ，粒子在正方体中沿y 轴方向的位移大小为y 1＝12at 12，粒子离开正方体时的速度沿y 轴方向的分速度大小为v y ＝at 1，从M 点入射的粒子最后打到平板上的位置的纵坐标为y ＝y 1＋v y t 2－L 2，联立解得y ＝9＋4π54L ，根据几何关系可知粒子在正方体中沿x 轴方向的位移大小为x 1＝R sin 60°＝33L 粒子离开正方体时的速度沿－x 轴方向的分速度大小为v 1＝v sin 30°，从M 点入射的粒子最后打到平板上的位置的横坐标为x ＝x 1－v 1t 2－L 2，联立解得x ＝－9－236L 综上所述可知从M 点入射的粒子最后打到平板上的位置坐标为⎝ ⎛⎭⎪⎫－9－236L ，9＋4π54L .。
带电粒子在电场和重力场复合场中的运动课件
α
L
T
Emຫໍສະໝຸດ ● F电GF例3：如图，一条长为L的细线，上端固定，下端栓一质量 为m的带电小球，将它置于方向水平的匀强电场E中。当细 线离开竖直位置的偏角为α时，小球处于平衡。求： （1）小球带何种电荷？ 小球的电量？ （2）若将细线剪短，则小球做什么运动？T时间后小球的
位移是多少？
αL
E
m●
解：
(1)小球受三个力平衡： T
可得：小球带正电
qE
qE/mg=tgα
α
q=mg tgα/E
mg
（2）小球做初速度为0的匀加速直线运动
mg/F合=cosα
F合=mg/cosα=ma
X=at2/2=gt2/2cosα
例3：如图，一条长为L的细线，上端固定，下端栓一质量 为m的带电小球，将它置于方向水平的匀强电场E中。当细 线离开竖直位置的偏角为α时，小球处于平衡。求： （3）如果使细线与竖直方向的偏角由α增大到θ，然后 将小球由静止释放，则θ为多大时，可使小球到达竖直位
作业：
1.此小球摆动过程中的振动周期为多少?（摆角 小于50）
2. 若将原题中电场E突然反向，求细线偏离 竖直方向的最大偏角？（α小于45o）
3. 原题中至少给小球多大的初速 度，才能使小球做圆周运动？
[拓展1]此小球摆动过程中的振动周期为多少? （摆角小于50）
解：由单摆周期公式T周=2π l / g '
设此题中等效重力加速度为 g′ 由题意可知等效重力mg′=mg/cosα
将g′代入周期公式得: T周=2π l cos a/g
[拓展2] 若将原题中电场E突然反向，求细线 偏离竖直方向的最大偏角？（α小于45o）
解：电场E反向，由受力可知摆动的等效最 低点在竖直偏左α角处，等效摆的摆角为2 α，再由对称性可知，小球偏离竖直方向的 最大夹角为3 α。